Ученые разработали усилитель, который может передавать в 10 раз больше информации в секунду, чем существующие оптоволоконные системы, что может быть полезно для лечения и диагностики.
(Изображение предоставлено: Baac3nes через Getty Images)
Ученые разработали новый тип лазерного усилителя, который может передавать информацию в 10 раз быстрее, чем существующие технологии.
Лазерные усилители повышают интенсивность световых лучей. Этот конкретный усилитель обеспечивает десятикратное увеличение скорости передачи за счёт расширения полосы пропускания, или длины волны света, на которой лазеры могут передавать информацию.
Объём информации, которую мы генерируем и передаём, растёт с каждым днём. Из-за распространения стриминговых сервисов, умных устройств и генеративного искусственного интеллекта компания Nokia Bell Labs в своём отчёте о глобальном сетевом трафике прогнозирует, что к 2030 году объём трафика данных удвоится.
Современные телекоммуникационные системы на основе оптики передают информацию, посылая импульсы лазерного света по оптоволоконным кабелям, представляющим собой тонкие стеклянные нити. Пропускная способность — объём передаваемой информации — определяется шириной полосы пропускания усилителя (длиной волн света, которые он может усиливать). По мере увеличения объёма передаваемых данных пропускная способность становится критически важной.
Большинство лазеров, используемых в современных телекоммуникациях, таких как интернет-связь, требуют наличия усилителя. Они работают по принципу вынужденного излучения, при котором входящий фотон стимулирует испускание другого фотона с той же энергией и направлением.
Теперь учёные разработали новый тип лазерной технологии, которая может передавать информацию с помощью высокоэффективного оптического усиления. Исследователи опубликовали свои выводы 9 апреля в журнале Nature.
«Усилители, которые в настоящее время используются в системах оптической связи, имеют полосу пропускания примерно 30 нанометров, — заявил в своём заявлении ведущий автор Питер Андрексон, профессор фотоники в Технологическом университете Чалмерса в Швеции. — Однако наш усилитель может похвастаться полосой пропускания 300 нанометров, что позволяет ему передавать в десять раз больше данных в секунду, чем существующие системы».
Новый усилитель изготовлен из нитрида кремния — твёрдого керамического материала, устойчивого к высоким температурам. Усилитель использует спиралевидные волноводы для эффективного направления лазерных импульсов и устранения аномалий в сигнале. Технология также была оптимизирована таким образом, что несколько усилителей могут быть размещены на небольшой микросхеме.
Исследователи выбрали спиральные волноводы вместо других типов волноводов, потому что они позволяют создавать более длинные оптические пути на небольшой площади. Это усиливает такие полезные эффекты, как четырёхволновое смешивание, которое происходит, когда две или более оптических частот объединяются для усиления выходного сигнала с минимальным уровнем шума (внешних помех, которые могут ухудшить качество сигнала).
Поскольку скорость света постоянна, сам лазерный луч не может распространяться быстрее, чем свет от обычных лазеров. Однако более широкая полоса пропускания позволяет новому усилителю передавать в 10 раз больше данных, чем обычным лазерам.
В настоящее время усилитель работает в диапазоне длин волн от 1400 до 1700 нанометров, что соответствует коротковолновому инфракрасному диапазону. Следующим этапом исследования будет проверка его работы в других диапазонах длин волн, таких как видимый свет (от 400 до 700 нанометров) и более широкий диапазон инфракрасного света (от 2000 до 4000 нанометров).
Согласно заявлению, новый усилитель имеет множество потенциальных областей применения, включая медицинскую визуализацию, голографию, спектроскопию и микроскопию. Миниатюризация технологии может также сделать лазеры для световых приложений более компактными и доступными по цене.
«Небольшие изменения в конструкции позволят усиливать также видимый и инфракрасный свет, — сказал Андрексон. — Это означает, что усилитель можно будет использовать в лазерных системах для медицинской диагностики, анализа и лечения. Большая полоса пропускания позволяет проводить более точный анализ и визуализацию тканей и органов, что способствует более раннему выявлению заболеваний».